列管式换热器课程设计.doc

1 一 方案简介一 方案简介 1 二 方案设计二 方案设计 2 1 确定设计方案 2 2 确定物性数据 2 3 初选换热器规格 3 4 计算传热面积 4 5 工艺结构尺寸 4 6 换热器核算 6 三 设计结果一览表三 设计结果一览表 8 1 参考资料 9 2 主要符号说明 9 2 一 方案简介一 方案简介 本设计任务是利用循环水给热水降温 利用热传递过程中对流 传热原则 制成换热器 以供生产需要 下图 图 1 是工业生产 中用到的列管式换热器 选择换热器时 要遵循经济 传热效果优 方便清洗 复合实际需要 等原则 换热器分为几大类 夹套式换热器 沉浸式蛇管换热器 喷淋式换热器 套管式换热器 螺旋板式换热器 板翅式换热器 热管式换热器 列管式换热器等 不同的换热器适用于不同的场合 而列管式换热器在生产中被广泛利用 它的结构简单 坚固 制造 较容易 处理能力大 适应性大 操作弹性较大 尤其在高压 高 温和大型装置中使用更为普遍 所以首选列管式换热器作为设计基 础 3 二 方案设计二 方案设计 需将热水液体从 80 冷却到 60 处理能力为 2 105吨 年 冷却介质采 用循环水 入口温度 25 出口温度 35 要求换热器的管程和壳程的压降不 大于 105Pa 试设计能完成上述任务的列管式换热器 每年按 300 天 每天 24 小时连续运行 1 确定设计方案 确定设计方案 1 选择换热器的类型 选择换热器的类型 两流体温度变化情况 热流体进口温度 80 出口温度 60 冷流体 冷流体进口温度 25 出口温度 35 从两流体温度来看 估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大 因 此初步确定选用固定管板式换热器 2 流动空间及流速的确定 流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结水垢 应使循环水走管程 热水走壳程 选用 25 2 0 的不锈钢管 2 确定物性数据 确定物性数据 定性温度 可取流体进口温度的平均值 壳程热水的定性温度为 70 2 6080 T 管程循环水的定性温度为 03 2 5325 t 根据定性温度 分别查取壳程和管程流体的有关物性数据 水在定性温度 70 下的有关物性数据如下 密度 h 997 8 kg m3 定压比热容 cph 4 187kJ kg 导热系数 h 0 6676 W m 粘度 h 4 061 10 4 Pa s 水在定性温度 30 下的物性数据 密度 c 995 7kg m3 定压比热容 cpc 4 147 kJ kg 导热系数 c 0 6176 W m 4 粘度 c 8 007 10 4 Pa s 3 初选换热器规格 初选换热器规格 按照壳层热水计算热负荷按照壳层热水计算热负荷 1 热流量 热流量 Wh 2 105 1000 300 24 27777 78kg h Qh Whcph th 27777 78 4 187 80 60 2326111 297 kJ h 646 1 kW 1 kW 1000W 3600s 3600kJ 2 计算两流体的平均温度差 暂按单壳程 双管程进行计算 逆流时平均温度为 计算两流体的平均温度差 暂按单壳程 双管程进行计算 逆流时平均温度为 79 39 5206 5380 ln 5206 5380 ln t 2 1 21 t t tt m P t2 t1 T1 t1 0 182 R T2 T1 t2 t1 2 采用外推法得知 0 95 0 8 故选择单程 37 8 tt mm 3 冷却水用量 冷却水用量 hg Q W h 4k56091 4226 2535147 4 72326111 29 tc c cpc 初选换热管为规格换热器 具体参数如下 2 0mm25 公称直径 DN mm 管程 数 N 管子根数 n 换热管长度 mm公称面积 m2流速 m s 管子排列方法 4502126300028 70 5正三角形排列 4 总传热系数 总传热系数 K 管程传热系数 13059 14 8007000 0 7 9950 5021 0 pdu c cc e R 4 0 c cpc 8 0 c ccc c c c c pud d 023 0 4 0 3 8 0 6176 0 0008007 0 104 147 13057 14 021 0 6176 0 023 0 5 m 2600W 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 2000 W m2 污垢热阻 Rsc 0 000344 m2 W Rsh 0 000172 m2 W 管壁的导热系数 17 W m h sh m h c h c cc h 1 d bd d d d d 1 RR K 2000 1 000172 0 0225 0 17 025 0 0025 0 021 0 025 0 000344 0 021 0 2600 025 0 1 m 587 27W 4 计算传热面积 计算传热面积 2 3 m 29 1 8 73587 27 10646 1 t m K Q S 考虑 15 的面积裕度 S 1 15 S 1 15 29 1 33 5m2 5 工艺结构尺寸 工艺结构尺寸 1 管径和管内流速及管长 管径和管内流速及管长 选用 25 2 0 传热管 不锈钢 取管内流速 uh 0 5m s 选用管长为 3m 2 管程数和传热管数 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 根 实 142 3025 0 14 3 33 5 ldh s A N 按单程管计算其流速为 sm W 0 32 4 142021 0 14 3 7 5993600 56091 4 4 nd 7 5993600 u 2 s 2 c c 按单管程设计 流速过小 宜采用多管程结构 则该换热器管程数为 2 传热管总根数 N 142 根 6 4 传热管排列和分程方法 传热管排列和分程方法 采用组合排列法 即每程内均按正三角形排列 隔板两侧采用正方形排列 取 管心距 t 1 25 d0 则 t 1 25 25 31 25 32 mm 横过管束中心线的管数 根13 11261 1 C N 得到各程之间可排列 13 支管 即正六边形可排 6 层 则实际排管数设为 126 根 其中 6 根拉杆则实际排管数设为 142 根 5 壳体内径 壳体内径 采用多管程结构 取管板利用率 0 7 则壳体内径为 478 7 0 142 3205 1 t05 1 N D 圆整可取 D 500mm 6 折流板 折流板 采用弓形折流板 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25 则切去的圆缺高 度为 h 0 25 500 125mm 故可取 h 125 mm 取折流板间距 B 0 5D 则 B 0 5 500 250mm 可取 B 为 250 折流板数 NB 传热管长 折流板间距 1 3000 250 1 11 块 折流板圆缺面水平装配 7 接管 接管 壳程流体进出口接管 取接管内热水流速为 u 1 0 m s 则接管内径为 99m0 0 0 114 3 997 83600 27777 784 u 4 d1 V 取标准管径为 108 mm 11mm 管程流体进出口接管 取接管内冷却水流速 u 0 5 m s 则接管内径为 105m 0 50 14 3 995 73600 15579 94 d2 取 76mm 6 5mm 无缝钢管 6 换热器核算 换热器核算 1 热量核算 热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板 可采用凯恩公式 14 0 w 3 1 55 0 h e h re d 36 0 PR 当量直径 由正三角形排列得 7 m020 0 025 0 14 3 025 0 4 032 0 2 3 4 42 3 4 2222 h h e d dt d 壳程流通截面积 27m0 0 032 0 025 0 15 025 0 t d 1 h o BDS 壳程流体流速及其雷诺数分别为 14963 3 0004061 0 8 99729 0 021 0 e 29m 0 270 0 8 9973600 78 27777 u h h R s 普兰特准数 55 2 6676 0 0004061 010187 4 r 3 P 粘度校正 1 14 0 w 23 155 0 h m 309212 5514963 3 102 0 6676 0 36 0 W 管程对流传热系数 4 08 0 c c c re d 023 0 PR 管程流通截面积 22 c 25m0 0142 2102 0 785 0 S 管程流体流速 2 5886 6176000 0 7 59921 0 102 0 Re s 17m 0 250 0 995 73600 15579 9 u c c 普兰特准数 24 08 0 c 3 587538 5 5886 2 02 0 7661 0 023 0 38 5 6176 0 8007000 0 10147 4 r mW P 传热系数 K 8 2 o sh m h c h c cc h m 786 8 3092 1 172000 0 0225 0 17 025 0 0025 0 102 0 025 0 000344 0 102 0 5875 025 0 1 1 d bd d d d d 1 W RR K 传热面积 S 2 3 m 21 7 8 37786 8 10646 1 t m K Q S 该换热器的实际传热面积 Sp 2 hp 30 2m11 42106 0 3025 0 14 3 ld NS 该换热器的面积裕度为 28 30 2 21 730 2 100 p S SS H 传热面积裕度合适 该换热器能够完成生产任务 2 换热器内流体的压力降 换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Pi P1 P2 FtNsNp Ns 1 Np 2 Ft 1 5 2 u 2 u d l 2 2 2 i1 PP 由 Re 5886 2 传热管相对粗糙度 0 1 21 0 005 查莫狄图得 i 0 042 W m 流速 uc 0 17m s 995 7kg m3 所以 ak10a40125 190 6443 16 a43 16 2 17 0 5 799 3 a90 64 2 17 0 5 799 02 0 3 420 0 i 2 2 2 1 PPP PP PP 管程压力降在允许范围之内 壳程压力降 9 1 1 2 1o FtNs FtNsPPP 流体流经管束的阻力 PaP uNn f F u NnFfP oBc h Bco 1 1064 2 191 0 1154 114 116114 0 5 0 191 0 14 11 6114 0 6 100645 5 0 2 1 2 1 228 0 2 h 1 流体流过折流板缺口的阻力 ak10 8 180011 7 736 1 1064 a 7 736 2 191 0 1154 4 0 2 02 5 3 14 2 2 5 3 4 0 2 0 2 2 5 3 o 22 2 2 2 PP P u D B NP mDmB u D B NP o B o B 总压力降 壳程压力降也比较适宜 三 设计结果一览表三 设计结果一览表 换热器形式 列管式换热器 换热面积 m2 30 2 工艺参数 名称管程壳程 物料名称冷却水热水 操作压力 Pa未知未知 操作温度 25 3580 60 流量 kg h 56091 4227777 78 流体密度 kg m3 995 7997 8 流速 m s 0 170 29 传热量 kW 646 1 总传热系数 W m2 K 786 8 传热系数 W m2 58753092 污垢系数 m2 K W 0 0003440 000172 阻力降 Pa 4011800 8 程数 21 10 推荐使用材料不锈钢不锈钢 管子规格 25 2 0 管数 142管长 mm 3000 管间距 mm 32 排列方式正三角形 折流板型式上下间距 mm 200 切口高度 25 壳体内径 mm500保温层厚度 mm未知 1 参考资料参考资料 1 贾绍义等 化工原理课程设计 天津大学出版社 2002 2 柴诚敬等 化工原理课程设计 天津科学技术出版社 2002 3 陈敏恒等 化工原理 上下册 化学工业出版社 2002 4 邝生鲁等 化学工程师技术全书 上下册 化学工业出版社 2002 5 匡国柱等 化工原理课程设计 化学工业出版社 2002 2 主要符号说明主要符号说明 英文字母英文字母 B 折流板间距 m C 系数 无量纲 d 管径 m D 换热器外壳内径 m f 摩擦系数 F 系